JP3966905B2

JP3966905B2 - Seal element manufacturing method and seal element manufactured by the method

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Publication number: JP3966905B2
Application number: JP50834798A
Authority: JP
Inventors: フェイステル、ノルベルト
Original assignee: ブルクハルトコンプレッションアーゲー
Priority date: 1996-07-30
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 2007-08-29
Anticipated expiration: 2017-05-27
Also published as: TW347359B; EP0916044B1; WO1998004853A1; DE59709708D1; JP2000515230A; AU2761497A; EP0916044A1; ATE236368T1

Abstract

In a method of manufacturing a sealing element consisting of one or more synthetic materials for a reciprocating compressor, in particular a non-lubricated one, the sealing element is manufactured by an injection-moulding method, in which the liquid plastic is introduced into an injection mould at one or more gates.

Description

本発明は、少なくとも一のプラスチックからなるピストン圧縮機用シール要素の製造方法に関し、特に、請求項１の前文に記載の乾式駆動ピストン圧縮機用のシール要素製造方法に関する。更に、本発明は、本発明に係る方法により製造されたシール要素に関する。
ピストン機関、特に乾式駆動ピストン機関におけるピストンロッドの密封に関して、フッ素樹脂を主成分として製造されたシール要素が知られており、そのようなプラスチック材料としてはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）が特に使用されている。この種のシール要素の製造に関しては、焼結又は押出し加工された板状半仕上げプラスチック加工品が使用され、この半仕上げプラスチック加工品から、チップ形成加工（chip forming machining）プロセスによりシール要素が製造される。半仕上げプラスチック加工品は、その製造方法の結果として、方向性に依存する物理的、機械的及びトライボロジー的特性を有し、またこのような結果は異方性とも称される。このように、例えば、押出し加工による半仕上げプラスチック加工品は、製造方向及び該方向の垂直方向に関して、異なる物理的、機械的及びトライボロジー的特性を有している。半仕上げプラスチックは、炭素繊維、ガラス繊維又はアラマイト（aramite）のような繊維質部分が付加的に取り込まれている場合、特に顕著な異方性を示す。従って、半仕上げプラスチック加工品から製造され、例えば弓状形に形成されたシール要素は、その周縁方向に関して異方性を呈し、従って物理的、機械的及びトライボロジー的特性が変動するものである。異方性は、繊維含有プラスチックにおいて特に顕著となる。何故なら、シール要素が半仕上げプラスチック加工品から、その繊維配向に関してどのように機械加工されたかに依存して、幾何学的に同一形状であるシール要素が、周縁方向に関して異なる物理的、機械的及びトライボロジー的特性を呈するためである。
公知のシール要素の構造は、制御不能な異方性を呈し、このことがそれらの耐摩耗性及び可使時間に不利な影響を与えるものである。
本発明の目的は、経済的により有利なシール要素を提供することにある。特に、シール要素がその周縁方向に関して均一な物理的、機械的及びトライボロジー的特性を呈するような、ピストン圧縮機用、特には乾式駆動ピストン圧縮機用のシール要素製造方法を提供することに有る。
当該目的は、請求項１に記載の特徴に従う方法により達成される。また、当該目的は、請求項１４に従う特性を有するシール要素により達成される。更に、従属請求項２乃至１３は、当該方法の好適な態様例に関する。また従属請求項１５乃至１７は、当該シール要素の好適な実施態様例に関する。
当該目的は、特に以下のシール要素において達成される。すなわち、流動性プラスチックが少なくとも一の射出位置又はゲートにおいて、型内、詳細には射出成形型内へ射出される射出成形法により製造される、少なくとも一のプラスチックからなるシール要素である。シール要素用のプラスチックは好ましくは、プラスチック材料であるＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＦＡ（過フルオロアルコキシ共重合体；perfluoralkoxy-copolymer）又はＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）、あるいは射出成形法により加工することのできる他のプラスチックからなる。高温重合体ＰＥＥＫは、射出成形法により好適に加工することのできる材料である。更に、少なくともＰＥＥＫ又は変性ＰＥＥＫからなるシール要素は、非常に良好な機械的特性を有し、例えば高温における高圧負荷を可能にする非常に良好な耐熱性、及び、例えばこの種のシール要素に長期寿命を与える高い耐摩耗性を有する。
プラスチックＰＴＦＥを使用するシール要素の製造は、粉体をプレス加工により圧縮する焼結法によりＰＴＦＥが製造されるため、非常に複雑で経費高である。圧縮により、相対的に大きな容積変化が生じるため、半仕上げ加工品は第一加工工程において通常は板状体又は棒状体として形成される。続く多数の加工工程において、シール要素は、施削、チップ形成加工及び更なる加工法により半仕上げ加工品から加工形成される。このとき、特にシール要素がリング状に成形される場合、半仕上げ加工品の大部分は、廃棄されるべき切削材料となる。
本発明による方法の利点は、後続の複雑な仕上げ工程を必要とせずに、単一工程又は非常に少数の加工工程によりシール要素を製造することができる点に見られる。従って、本発明による方法は、非常に経済的なシール要素の製造を可能にするものである。加えて、廃棄物が全くあるいは殆ど蓄積せず、従って、例え非常に高価なプラスチック材料、例えばＰＥＥＫ等を使用する場合であっても、経済的なシール要素を製造することができ、特に、シール要素がリング形状に成形される場合、極少量の材料で製造することができる。板状又は棒状の半仕上げ加工品からチップ形成加工によりシール要素を製造する方法とは異なり、すなわち、型抜き品から最終製品に至る過程で不要となる材料の殆どを、例えば単純融解することにより射出成形法において再利用できるので、廃棄物が全くあるいは殆ど蓄積することがない。
本発明による方法又は該方法により製造されたシール要素に係る更なる利点は、射出成形法によりシール要素をその最終構造形態として直接製造することができる点、あるいは多数の後処理工程を特別必要とせずに極めて単純な方法で、型抜き品からシール要素を製造することができる点に見られる。更に、射出成形法においては、例えば半仕上げ加工品をチップ形成加工する場合と比べて、プラスチックの流れ方向を考慮することにより、成形時において、完成シール要素における所望の幾何学的形状を十分考慮することができるので、周縁方向に関して安定した物理的、機械的及びトライボロジー的特性を有するシール要素を製造することができる。本発明による方法の更なる利点は、シール要素の物理的、機械的及びトライボロジー的特性を、例えば構成要素の幾何学的形状に応じて、意図的に操作しうる点、すなわち、射出工程における充填過程を制御することにより、物理的、機械的及びトライボロジー的特性を広範囲で制御することができる点に見られる。
例えばＰＥＥＫのような部分結晶性プラスチックに関しては、物理的及び機械的特性は、生成する結晶の数、分布及び種類に大きく依存する。射出成形法により製造されたシール要素においては、結晶形成を好適に制御することができるので、例えば引張り、圧縮又は曲げ応力に関して、押出し又は焼結のような従来公知の製造方法と比較して、約３０％乃至５０％大きい機械的応力抵抗を呈するシール要素を製造することができる。射出成形法によりＰＥＥＫから製造されたシール要素は、焼結又は押出し加工における場合よりも高い結晶化度を有する。射出成形法によりＰＥＥＫから製造された構成要素の結晶化度は、温度又は冷却速度のようなパラメータにより制御することができる。更に、焼結又は押出し加工によりＰＥＥＫから製造された構成要素と比較して、射出成形法により製造されたシール要素は、より均一な組成を有しており、加えてＰＥＥＫには孔（pore）又は穴（hole）は全く存在しない。射出成形法によりＰＥＥＫから製造されたシール要素における高耐熱性は、プラスチックＰＥＥＫの高結晶化度に直接起因するものである。
本発明方法により製造されたシール要素、特にシールリングは、従来公知のシール要素とは明らかに異なる構造的特徴を有し、また、後者を凌駕する大きな物理的及び機械的利点を有する。特徴的な構造は、本発明シール要素の断面において顕著に認められる。従って、例えばシールリング又はピストンリングのような本発明シール要素は、従来公知のシール要素とは構造的特徴において明らかに一線を画すものである。また、射出成形品における固有の特徴は、特に繊維質充填剤が使用された場合は、プラスチックの流れ方向又は充填剤の配向にあり、これらの特徴は例えば光透過法により正確に測定することができる。
ＰＴＦＥのような有機充填剤もしくはグラファイトのような無機充填剤及び／又は炭素繊維、ガラス繊維、アラマイト（aramite）繊維もしくは金属のような繊維質材料がプラスチックに添加される場合、射出成形法を採用することにより、押出し法と異なり、繊維が常に同一方向に延びて配向するように、これら繊維の配向を制御することができる。シールリング中の繊維は、射出成形中、周縁方向に広がるように配列するので、繊維含有シールリングの周縁に沿って、類似又は一定の物理的、機械的及びトライボロジー的特性も得ることができる。
また、後続のチップ形成加工を必要とする半仕上げ加工品を製造する公知製造方法においては、シール要素の広がり方向に繊維質部分を配列することは不可能である。半仕上げ加工品においては、全ての繊維質部分は通常、同一方向に向かって配向しているので、後続のチップ形成加工により、シールリング繊維質部分の配向は、その周縁方向に関して継続的に変化し、その結果、公知シールリングはその周縁方向に関して継続的に変動する機械的特性を呈するものである。本発明に係るシールリングの利点は、その周縁方向に関して繊維が均一配向すなわち渦状を呈するため、シールリングがその周縁方向に関して一定の機械的特性を呈する点に見られる。
更なる利点は、シールリングにおける繊維質部分の配列及び密集度を、例えば射出ゲートの数及び配列を選択することにより、最適化することができる点に見られる。また、シール要素における繊維質材料の密度が局部的に変化するように、射出成形プロセスが実施されている間、繊維質材料を異なる密度でプラスチックに添加することが可能である。この方法により、例えば繊維質成分がリング内部で排他的な広がりを持つ一方で、該繊維質成分が外表面までは到達しないようなシールリングを製造することができる。更に、この方法において、シールリングの密封表面に繊維質成分を全く存在させず、一方で機械的強度を向上させるために残りの表面領域に繊維を埋め込んだ状態を実現することも可能である。このような状態を実現することは、特にガラス繊維を使用する場合に好適である。何故なら、シールリングにおける密封表面近傍からこれら繊維を意図的に排除することが可能であり、従って、ピストンロッドの表面、より一般的な表現を用いればピストンロッド又はシリンダパスのような対向駆動部の表面が、このような繊維により損傷を受ける危険を回避することができるためである。従って、機械的強度を向上させるためにシールリング内へガラス繊維を導入し、且つ、密封表面領域又は駆動表面領域における繊維密度を意図的に減少させることにより、ガラス繊維により対向駆動部に生ずる研磨作用を防止あるいは少なくとも減少させることが可能である。
本発明による方法又は該方法で製造されたシール要素に係る更なる利点は、使用されるプラスチックの組成を単純な方法で変化させることができる点に見られる。シール要素は常に、プラスチックマトリクスからなる基本構造を有し、マトリクス構成プラスチックとしては例えばＰＥＥＫ、ＰＦＡ又はＰＰＳを挙げることができ、例えばＰＥＥＫの割合は、シール要素全質量（total mass）中７０％とすることができる。広範囲にわたる様々な異なる組成を有するシール要素を製造するために、プラスチックマトリクスには、様々な充填剤を充填することが可能である。すなわち、一つには、充填剤の割合に対してＰＥＥＫのようなプラスチックの割合を変化させることが可能であり、一つには、異なる充填剤を混入することが可能である。充填剤としては、ＰＴＦＥのような有機充填剤又は炭素繊維、ガラス繊維、グラファイトもしくは金属のような無機充填剤が好適である。放射成形法を使用することにより、ＰＥＥＫ、ＰＴＦＥ、繊維、グラファイト等の割合を適宜選択して混合することが可能であり、また、少量のシール要素の製造が可能となるので、多数の異なる混合比及び／又は異なるトライボロジー的、機械的もしくは熱的特性を有するシール要素を経済的な方法で製造することが可能になる。
本発明による方法の更なる利点は、周縁方向においてオーバラップするギャップ接合部を有するシール要素を単純な方法で製造することができる点に見られる。この方法は、シールリングの端部領域において互いに隔絶し、しかしながら、シールリングの周縁方向においてオーバラップする二つのキャビティを有するように、シールリング製造用の型すなわち射出成形型に、例えば、幾分螺旋形に広がるキャビティを設けるものである。この方法により、周縁方向においてオーバラップするギャップ接合部を有するシールリングを製造することが可能となり、例えば、幾分螺旋形に形成されたシールリングは、後続の熱処理加工により平坦な形状のシールリングへ変形することができる。
本発明方法の更なる利点は、異なる色に染色されたプラスチックを使用することにより、異なる色を持つシール要素を製造することができる点に見られる。更に、部分的に異なる色を呈するシール要素を製造することも可能であり、例えば、シールリング射出成形中、異なる色のプラスチックを交互に射出することにより、周縁方向又は半径方向に関して多数の異なる色を呈するシールリングを製造することが可能である。このような着色又は部分的に異なる色への着色は、例えば、識別用途又はシール要素の摩耗疲労指標用途に有用である。
本発明方法に係る第一の態様例において、射出成形型は、型、すなわち製造されるべきシール要素の形状と幾何学的に実質同一であり、流動性プラスチックを受け入れるキャビティとして使用される。この態様により、リング状に形成されたシール要素において、特に周縁方向に広がるプラスチックの顕著な流動すなわち流れの方向が発生するように、射出ゲートが配される。流入プラスチックはシールリング形状に広がり、その結果、シールリングの周縁方向に関して好適な機械的特性を有する均一な構造が得られる。本発明方法に係るこの態様においては、上記の如く単一工程により流動性プラスチックを実質的最終形状まで成形加工することが可能である。
本発明方法に係る特に好適な第二態様例は、シール要素が射出点を含まない状態となるように、各射出ゲートの空間的位置が選定される点に特徴を有するものである。一般に、射出点は、シール要素構造に関して、その機械的、物理的及びトライボロジー的特性に悪影響を与える分裂点となる場合もあるので、本発明のこの特徴は、特に有利である。
製造されるべきシール要素の幾何学的形状に応じて、一つの射出ゲートから正確に射出成形型内へプラスチックを射出することは、該射出成形工程を更に単純にすることになるので、有利なことである。本発明において、該射出ゲートの空間的位置は、射出成形型内においてプラスチックが移動する距離が最小となるように、適宜選択される。これは、プラスチックの流動すなわち流れの行程を短くすることにより、シール要素の機械的特性（例えば強度）が特に好適な影響を受けることが実際に確認されているためである。
特にリング形状として具現化されるシール要素の製造に関して、放射方向に広がる顕著なプラスチックの流れ方向を生ずるように射出ゲートが配されることが、第二態様においては好ましい。リング状シール要素の製造に関して、リング状シール要素の幾何学的中心近傍に配された射出ゲートから、プラスチックを射出成形型内へ射出することが特に好ましい。このような配置により、一方では、流動性プラスチックが移動する距離は可能な限り最短に維持され、他方では、周線上の全点において射出ゲートからの距離が等しくなる。このことにより、本発明は、シール要素周縁方向に関する物理的、機械的及びトライボロジー的特性が、非常に良好な状態で均一となる利点を有するものである。
本発明方法に係る第二の態様例においては、以下の工程により、実質的にリング状であるシール要素を製造することが好ましい。すなわち、まず初めに、射出チャネルを介して流動性プラスチックを、実質的に円盤状の射出成形型キャビティの中心部へ射出して硬化させる射出成形法により、傘状成形品を製造する。次いで、傘状成形品を成形型から取り外し、傘状成形品の柄周囲の中央領域を除去し、実質的にリング状のシール要素を得る。
この方法によれば、非常に単純且つ経済的な方法でリング状シール要素を製造することが可能であり、該シール要素の物理的、機械的及びトライボロジー的特性は、乾式駆動ピストン圧縮機における使用に関して非常に好ましいものである。
以下、図面及びシール要素に係る幾つかの代表例を参照しつつ、本発明を詳細に説明する。図面において例示されているものは、正確な縮尺ではなく、また、一部省略されて描かれているものである。
図１は、シールリングとして具現化されたシール要素を示す図である。
図２は、シールリングに係る更なる具体例を示す図である。
図２ａは、図２に係るシールリングを線分Ｂ−Ｂから見た断面図である。
図２ｂは、図２に係るシールリングを線分Ｃ−Ｃから見た断面図である。
図２ｃは、図２に係るシールリングをＥ方向から見た側面図であり、ギャップ接合部が示されている。
図２ｄは、図２に係るシールリングの部分拡大図である。
図３は、乾式駆動ピストン圧縮機内に組み込まれたシールリングを示す図である。
図４は、射出成形法を実施するための装置を示す図である。
図５は、射出成形法を実施するための更なる装置を示す図である。
図６ａは、更なるシールリング要素を示す図である。
図６ｂは、図６ａに係るシール要素を複数個使用して構成される更なるシールリングを示す図である。
図７は、本発明方法に係る第二の態様例における射出成形型を示す断面図である。
図８は、図７に係る射出成形型を使用して製造された成形品を示す平面図である。
図９は、図８に係る成形品の縦断面図である。
図１は、乾式駆動ピストン圧縮機におけるピストンロッド用のシール装置を示している。この装置は、シールリング１及び該シールリングを包囲するカバーリング２からなる。シールリング１は二つの端部１ｃ、１ｄにおいて分断しており、その結果、二つの端部１ｃ、１ｄの間にギャップ１ａを有するものである。シールリング１は、本発明方法に係る第一の態様により製造することができる。また、該リングには、射出ゲート又は射出位置に由来する射出点又はゲートマーク１ｕが見られる。シールリング１に係る本態様例においては、射出点１ｕがシールリング１に関して対照的な位置に配されるように、射出ゲートを配した射出成形法により、シールリング１が製造される。射出工程中、射出ゲートから型すなわち射出成形型のキャビティ内へ流れるプラスチックが、キャビティ内においてｆ１、ｆ２で示される方向へ該キャビティが充填されるまで流動拡散することにより、シールリング１が形成する。シールリング１は二つの密封表面１ｈ、１ｍを有する。一方の密封表面１ｈは、可動性ピストンロッド４と接面するものであり、他方の密封表面１ｍは、固定部すなわちシール室リング５と接面するものである。どちらの密封表面１ｈ、１ｍも、例えば曲率半径、平坦度又は表面構造のような厳密な幾何学的要求を満たすものでなくてはならない。ところで、射出成形法により製造されたプラスチック部品が収縮を起こすことは周知の事実である。これら二つの相反する条件は、本発明の射出成形法においては、以下のように収縮を制御することにより満足させることが可能である。すなわち、シールリングを製造及び冷却する間、二つの密封表面１ｈ、１ｍの幾何学的寸法を一定に保持するために、シールリング１の残りの表面における収縮を意図的な許容差とするものである。この方法により、非常に厳密な幾何学的寸法にある密封表面を有するシールリングを射出成形法により製造することができる。従って、該方法は、シールリングを機械的に加工する後続工程を必要としない。しかしながら、更に精巧な成形表面を得るために、後続の研磨工程により成形表面を更に加工することも有利である。
上記方法により、ピストンリングとして設計されたシール要素を製造することも可能である。シールリング１における場合は、内側表面の寸法を一定とすることが必要とされたが、ピストンリングにおいては、外側周囲表面の寸法を一定とすることが要求される。かようにして本発明に係る射出成形法により単純な方法でピストンリングを製造することが可能である。
図１においては、端部領域２ｂを有するカバーリング２も示されている。このカバーリング２は射出点２ｕを有しており、該製造工程時、この射出点からｆ１、ｆ２で示される方向にプラスチックが流動し、型のキャビティを充填する。このカバーリング２においても幾何学的に非常に厳密な二つの表面を製造することが可能である。
図２は、シールリング１の他の代表例を示す平面図であり、射出点１ｕ並びにプラスチックの流れの方向ｆ１、ｆ２が示されている。シールリング１は、寸法が一定な二つの密封表面１ｈ、１ｍを有している。シールリング１は、二つの端部領域１ｂ、１ｃにおいて分断して、周縁方向においてオーバラップするギャップ接合部となるギャップ１ａを形成しており、更に周縁部においてオーバラップするギャップ接合部が生ずるように端部１ｄが、一方の端部領域１ｃ上に設けられている。シールリング１は、その周縁に配された複数のウエブ１ｐを有しており、線分Ｃ−Ｃに沿うウエブ１ｐの断面が図２ｂに示されている。ウエブ１ｐは、シールリング１の全高に及ぶ密封表面１ｈを有している。線分Ｂ−Ｂに沿う別位置における断面を図２ａに示す。この場合、寸法が一定の密封表面１ｈは、高さＨの極一部の領域を占めるに過ぎず、領域１ｋにおいて、表面１１が角度βをもって円錐形に広がっている。非常に幅細な形状のウエブ１ｐを周縁方向に多数有するシールリング１も、本発明に係る射出成形法により製造することが可能である。シールリング１断面において、埋め込まれた繊維材料の密度が異なる様子を図２ｂに示す。繊維は、シールリング１の周縁方向すなわち図示平面に対して垂直方向に伸展している。図示の態様例においては、繊維密度が高い領域が第一領域１ｚとして形成され、繊維密度が非常に低い領域が第二領域１ｙとして形成されるように、繊維が充填されている。従って、密封機能を果たす重要な部分である表面１ｈ、１ｍにおいては、繊維密度が非常に低いか、あるいは全く繊維が存在しない。駆動表面又は密封表面の繊維密度、例えばガラス繊維密度を低下させることにより、当該表面のガラス繊維密度が高い場合に比べて、対向部材への研磨作用をはるかに減少させることができる。
図２ｃは、図２に係るシールリング１を視線Ｅ方向から見た側面図であり、端部領域１ｃ、１ｄ及び端部領域１ｃとオーバラップする端部１ｄが示されている。この種のオーバラップギャップ接合部は、本発明に係る以下の方法により簡単に製造することが可能である。すなわち端部１ｄ及び端部領域１ｃが互いに隔絶した二つのキャビティ内において形成されるように、型キャビティが幾分螺旋状に広がるように設計されるものである。射出成形完了後、螺旋状に広がるシールリング１が、平面内で広がるシールリング１となるように、プレス又は熱処理によりシールリング１を加工する。
図２ｄは、図２に係るシールリングの部分拡大図であり、シールリング１に充填された繊維１ｖの配向を示している。これら繊維１ｖは、シールリング１の広がり方向に関して整列している。従って、シールリング１は、その周縁方向に関して均一な物理的、機械的及びトライボロジー的特性を有するものである。射出成形法により製造されたシールリング１において、特に密封表面１ｈは均一な構造を有する。
図３は、ピストンロッド４を具備する乾式駆動ピストン圧縮機のパッキン６の縦断面図であり、シール装置１２がシール室１４内に設置されており、該装置１２はシールリング１、カバーリング２及びホースばね（hose spring）３からなる。シールリング１において寸法が一定である一方の密封表面１ｈは、ピストンロッド４と接面しており、寸法が一定である他方の密封表面１ｍは、シール室リング５と接面してシリンダ室１５の圧力を密封するものである。このとき、圧力ｐ１は、圧力ｐ２よりも大きいものである。
図４には、射出成形法を実施するための射出成形装置２０が示されている。射出成形機２５には、ファンネル２６を介して、粒状常温の成形材料が供給される。成形材料は、回転スクリュー２７及び外部から加熱されるシリンダにより溶融、可塑化され、スクリュー先端部へ押し出される。スクリュー２７により軸方向に押し出された成形材料は、ノズル及び射出ランナーすなわち射出通路を介して、加熱要素２３により温度制御された型２１すなわち射出成形型内へ射出される。この態様において、可塑化したプラスチックは、型２１のキャビティ２２が充填されるまで該キャビティ２２内へ流入し、その結果、シール要素１が形成される。ファンネル２６に供給されるものは、単一プラスチック材料からなる粒状物２８であっても良いし、あるいは、炭素繊維、ガラス繊維もしくはアラマイト（aramite）繊維のような繊維と同様に、付加的な成分を含有する混合物、例えばＰＴＦＥを含有するＰＥＥＫのような異なるプラスチック材料からなる混合物であっても良い。
図５ａは、二つの独立な射出成形機２５を構成要素とする更なる射出成形装置２０を示しており、該射出成形機は、混合装置２９を介してプラスチック２４を型２１のキャビティ２２へ供給するものである。図示の態様例においては、ファンネル２６ｂの内容物２８ｂはｑ１方向へ流れることにより型２１内へ供給される。ファンネル２６ａの内容物２８ａを型２１内へ供給する場合は、混合装置２９を適宜切り替えることが可能である。この方法によれば、異なるプラスチックからなるシール要素１を製造することが可能である。しかしながら、異なる色調の同質プラスチックを使用して、例えば、シールリングとして形成されるシール要素を周縁方向に関して色分けすることも可能である。
図５ｂは、図５ａにおいて既に図示した射出成形装置２０と同一の装置を示しているが、図５ａに係る場合とは異なり、二つの射出成形機２５は、方向ｑ１、ｑ２へ同時にプラスチックを流動させるものである。二つのファンネル２６ａ、２６ｂは、異なるプラスチックを内包している。この複式成分射出法により、一方のプラスチック２８ａからなる緻密な外部スキン２４ｂ及び他方のプラスチック２８ｂからなるコア２４ａを有するシール要素１を製造することが可能である。
図６ａは、射出点１ｕ及び寸法一定表面１ｈ、１ｙ、１ｚを有するシール要素１を示しており、図６ｂは、周縁方向において互いに接した状態にある三つのシール要素１からなるカバーリングを示している。全てのシール要素１は、射出成形法により製造されたものであり、射出点１ｕを有している。シール要素１は、ピストンロッド側の密封表面１ｈの寸法が一定となるように製造されている。更に、相互に接触する表面１ｙ、１ｚは、適正な大きさとなるように正確に形成されている。
本発明の方法に係る特に好適な第二態様は、射出成形法における各射出ゲートの空間的位置が、シール要素が射出点を含まないように選定される点に殊更特徴を有するものである。本発明方法に係る第一態様とは異なるこの点を除けば、本発明に従い製造されたシール要素に関して、第一態様に係る上記説明は、第二態様においてもほぼ当てはまるものである。
射出点は、機械的、物理的及びトライボロジー的な特性に対して不利な影響を与えうるシール要素構造上の問題点でもある。このような潜在的障害を排除しうることは、本発明方法に係る第二態様の特徴的な利点である。
以下、図７乃至９を参照しつつ、閉リング状シール要素（エンドレスリング）の製造に関してより詳細に、本発明方法に係る第二態様を具体的に説明する。
図７は、実質的に円盤状のキャビティ３２を有する射出成形型３０の断面を描いたものであり、該キャビティの中心部に流動性プラスチックが、射出通路３１を介して射出される。図８は成形品４０を示す平面図であり、該成形品は、射出成形型３０を利用して射出成形法により製造することができる。図９は、図８に係る成形品４０の縦断面を示している。
射出成形型３０には、図４、５ａ、５ｂにおいて例示され、且つ、当該原理に関する論考において既に説明されたものと類似の射出成形装置２０又は射出成形機２５により流動性プラスチックが充填される。この点に関して、射出通路３１（図７）は、射出成形機２５（図４、５ａ、５ｂ）又は混合装置２９と夫々連結し、その結果、流動性プラスチックが射出通路３１（図７）を介して、射出成形型３０のキャビティ３２内へ射出され得るものである。射出ゲート３３は、射出通路３３が射出成形型３０のキャビティ３２と連通する位置に存在している。
更に、射出成形型３０は実質的にリング状のリブ３４を有しており、該リブは、射出通路３１と同心であり、実質的に円盤状のキャビティ３２内へ突出している。加えて一又は複数の放出口３５が設けられており、この放出口を介して、例えば射出成形型３０が充填されている間、気泡を放出させることが可能である。
射出成形型が充填されている間、流動性プラスチックは射出通路３１を介して流入し、同時に、射出ゲート３３から円盤状キャビティ３２内へ、該キャビティが完全に充填されるまで、放射状に流動する。プラスチックが固化した後、成形品４０は成形型から取り外され、図８及び図９に例示される傘様状の成形品が得られる。すなわち該成形品は、射出通路３１により成形された柄部４１及びキャビティ３２により成形された円盤部４２を有するものである。リブ３４により、成形品４０の円盤部４２には、柄部４１と同心のリング状溝４４が形成される。その幾何学的中心部Ｍが射出ゲート３３とほぼ一致するリング状のシール要素を形成するために、成形品４０の中心領域４３が除去される。この中心領域４３は、成形品４０の柄部４１及び円盤部４２においてリング状溝４４により包囲された部分を含むものである。中央領域４３は、例えば粉砕、突出し、切削又は鋸引きにより除去することができる。リング状溝４４を設ける目的は、中央領域４３の除去を容易にすることにある。所望により、中央領域４３を除去した後、リング状シール要素の内側境界面を更に仕上げ加工することも可能であり、例えばグラインディング又はホーニングを施しても良い。
ここに記載される本発明方法に係る第二態様の実施例において、プラスチックは射出ゲート３３から射出成形型３０内へ射出されるものであり、射出成形型内でプラスチックが移動する距離が最小となるように、該ゲートの空間的位置が選定される。プラスチックの流動距離が短いことは、シール要素の機械的特性にとって有利であり、例えばシール要素の強度、特に曲げ剛性が向上するので、上記の如くゲート位置を選定することは有利である。より詳細には、プラスチックは、リング状シール要素の幾何学的中心Ｍ近傍に配された射出ゲート３３において、射出成形型３０内へ射出される。この方法によれば、同一周線上にある全点は射出ゲート３３から実質的に同一な距離にあることとなる。このことは、リング状シール要素の内側及び外側の境界面についても特に言えることである。また、この方法により、流動性プラスチックの広がりが、射出成形型３０内で実質的に放射対称に生ずるので、周縁方向に関して考察した場合、シール要素が非常に均一な物理的、機械的及びトライボロジー的特性を呈するという利点を生ずるものである。
また、第二態様においては、中央領域４３を単純方法により再融解し、次の射出成形に利用することができるので、シール要素製造時に廃棄物が殆ど全く生じない。この点は、経済的観点からは極めて重要な利点であり、例えばＰＥＥＫのような高価なプラスチック材料を使用する場合は殊更である。
当然に、本発明方法に係る第二態様は、ここで詳細に記載されたエンドレスリング製造に限定されるものではない。従って、例えば、射出成形型３０のキャビティ３２及び／又はリブ３４の設計を変更することにより、シール要素に関して非常に多様な幾何学的形状を実現することが可能である、より詳細には、図１、２ａ乃至ｄ、６ａ、６ｂに例示されたシール要素も全て、本発明方法の第二態様により同様に製造することが可能であり、その場合、これらシール要素は射出点を含まないものである。
図１に係るシールリング１は、例えば、エンドレスリングの一箇所を中断することにより製造することが可能であり、すなわち、ギャップ１ａが生じるようにエンドレスリングの一部を切り出すことにより製造することができる。あるいは、成形品４０の円盤部４２が対応する欠切部を有するように射出成形型３０のキャビティ３２を設計することも可能である。
また、オーバラップギャップ接合部（図２ｃ参照）も、例えば、図２ｃに関して既に説明した方法と類似の方法により形成することができる。また、円錐形に広がる表面１１（図２ａ参照）も、射出成形型３０の壁を好適に設計することにより形成することが可能である。シール要素における非方形断面（図２ｂ参照）も同様に、例えば、射出成形型３０のキャビティ３２の形状を適宜設計することにより形成することが可能である。
分離型シール要素（図６ａ及び６ｂ参照）も、例えば、エンドレスリングの切断により製造することができる。また、（例えば図６ａに例示の如く）各分離片を個別に、すなわち個別の射出加工により製造することも可能である。この態様において、射出ゲートの位置は、分離片の曲率中心近傍に位置するように適宜選定される。
本発明方法に係る第二態様によれば、射出成形型内におけるプラスチックの流れの方向は、顕著な放射方向性を呈する。炭素繊維、ガラス繊維、アラマイト（aramite）繊維又は金属のような繊維質材料が混合されたプラスチックを使用する場合は、これら繊維質材料は、プラスチックが放射方向に流動する射出成形時、その流れの方向とほぼ直交するように整列するので、該繊維質材料はリング状シール要素において実質的に周縁方向の配向性を有していることが判明している。このことは、シール要素周縁方向に関して物理的、機械的及びトライボロジー的特性が均一となるような好影響を特に与えるものである。当然に、繊維質材料の密度がシール要素内において局部的に変化するように、繊維質材料をプラスチックと異なる密度で混合することは、第二態様においても可能である。従って、既に記載の方法と類似の方法で、以下の特徴を持つシール要素を製造することが可能である。すなわち、密封機能にとって重要なシール要素表面は殆どあるいは全く繊維を含まず、一方、シール要素の他の部分においては、非常に高い繊維密度が実現されているシール要素である。例えば、外側に密封表面を有するリング状シール要素の場合、射出成形時まず初めに、繊維質を全くあるいは殆ど含まないプラスチックで射出成形型の一部を充填し、次いで、高繊維密度のプラスチックを射出成形型内へ射出することにより、前記好適な特徴を有するシール要素を製造することができる。
シール要素及び／又はシールリングについて具体的に記載した態様例に加えて、シール要素及び／又はシールリングに係るあらゆる公知態様も、当然に、本発明方法により製造することが可能である。The present invention relates to a method for producing a sealing element for a piston compressor made of at least one plastic, and in particular to a method for producing a sealing element for a dry drive piston compressor according to the preamble of claim 1. The invention further relates to a sealing element produced by the method according to the invention.
Regarding sealing of piston rods in piston engines, particularly dry drive piston engines, sealing elements made of fluororesin as a main component are known, and PTFE (polytetrafluoroethylene) is particularly used as such a plastic material. ing. For the production of this kind of sealing elements, sintered or extruded plate-like semi-finished plastic products are used, from which the sealing elements are produced by a chip forming machining process. Is done. Semi-finished plastic workpieces have physical, mechanical and tribological properties that depend on directionality as a result of their manufacturing method, and such results are also referred to as anisotropy. Thus, for example, semi-finished plastic workpieces by extrusion have different physical, mechanical and tribological properties with respect to the production direction and the direction perpendicular to the direction. Semi-finished plastics exhibit particularly significant anisotropy when fiber parts such as carbon fibers, glass fibers or aramite are additionally incorporated. Thus, a sealing element manufactured from a semi-finished plastic workpiece, for example in the shape of an arc, exhibits anisotropy with respect to its circumferential direction and thus varies in physical, mechanical and tribological properties. Anisotropy is particularly noticeable in fiber-containing plastics. Because, depending on how the sealing element is machined from a semi-finished plastic workpiece with respect to its fiber orientation, the geometrically identical sealing element may have different physical, mechanical And to exhibit tribological characteristics.
Known seal element constructions exhibit uncontrollable anisotropy, which adversely affects their wear resistance and pot life.
It is an object of the present invention to provide an economically more advantageous sealing element. In particular, it is to provide a method for producing a sealing element for a piston compressor, in particular for a dry drive piston compressor, such that the sealing element exhibits uniform physical, mechanical and tribological properties with respect to its circumferential direction.
This object is achieved by a method according to the features of claim 1. The object is also achieved by a sealing element having the properties according to claim 14. Furthermore, the dependent claims 2 to 13 relate to preferred embodiments of the method. Dependent claims 15 to 17 relate to preferred exemplary embodiments of the sealing element.
This object is achieved in particular in the following sealing elements. That is, a sealing element made of at least one plastic produced by an injection molding method in which a flowable plastic is injected into a mold, in particular into an injection mold, at at least one injection position or gate. The plastic for the sealing element is preferably processed by the plastic material PEEK (polyetheretherketone), PFA (perfluoroalkoxy-copolymer) or PPS (polyphenylene sulfide), or by injection molding. Made of other plastic that can. The high temperature polymer PEEK is a material that can be suitably processed by an injection molding method. Furthermore, the sealing elements consisting of at least PEEK or modified PEEK have very good mechanical properties, for example very good heat resistance allowing high pressure loads at high temperatures and long term for such sealing elements, for example. High wear resistance that gives life.
The production of sealing elements using plastic PTFE is very complicated and expensive because PTFE is produced by a sintering process in which powder is compressed by pressing. Since the compression causes a relatively large volume change, the semi-finished product is usually formed as a plate or rod in the first processing step. In a number of subsequent processing steps, the sealing element is formed from the semi-finished product by means of machining, chip forming and further processing. At this time, particularly when the sealing element is formed in a ring shape, the majority of the semi-finished product is the cutting material to be discarded.
The advantage of the method according to the invention is seen in that the sealing element can be produced in a single step or with very few processing steps without the need for subsequent complicated finishing steps. The method according to the invention therefore makes it possible to produce a very economical sealing element. In addition, no or very little waste accumulates, and therefore economical sealing elements can be produced, especially when using very expensive plastic materials such as PEEK, in particular seals. If the element is molded into a ring shape, it can be made with very little material. Unlike the method of manufacturing a sealing element from a plate-like or rod-like semi-finished product by chip forming processing, that is, by simply melting, for example, most of the material that is unnecessary in the process from the die-cut product to the final product. Since it can be reused in the injection molding process, there is little or no waste accumulation.
A further advantage of the method according to the invention or the sealing element produced by the method is that the sealing element can be produced directly as its final structural form by means of an injection molding process, or that a number of post-processing steps are specially required. The sealing element can be produced from a die-cut product in a very simple manner. Furthermore, in the injection molding method, the desired geometric shape of the finished seal element is fully taken into account during molding by considering the plastic flow direction, for example, compared to the case of chip-forming a semi-finished product. As a result, it is possible to produce a sealing element having stable physical, mechanical and tribological properties with respect to the circumferential direction. A further advantage of the method according to the invention is that the physical, mechanical and tribological properties of the sealing element can be deliberately manipulated, for example according to the geometry of the component, i.e. filling in the injection process. It can be seen that by controlling the process, the physical, mechanical and tribological properties can be controlled over a wide range.
For a partially crystalline plastic such as PEEK, the physical and mechanical properties are highly dependent on the number, distribution and type of crystals produced. In a sealing element produced by injection molding, the crystal formation can be controlled favorably, for example with respect to tension, compression or bending stress, compared to previously known production methods such as extrusion or sintering, Seal elements that exhibit a mechanical stress resistance of about 30% to 50% greater can be produced. Seal elements made from PEEK by injection molding have a higher degree of crystallinity than in sintering or extrusion. The crystallinity of components produced from PEEK by injection molding can be controlled by parameters such as temperature or cooling rate. Furthermore, compared to components made from PEEK by sintering or extruding, sealing elements made by injection molding have a more uniform composition, and in addition, PEEK has pores. Or there is no hole at all. The high heat resistance in the sealing element produced from PEEK by the injection molding method is directly attributable to the high crystallinity of the plastic PEEK.
Seal elements produced by the method of the present invention, in particular seal rings, have structural features that are distinctly different from previously known seal elements and have significant physical and mechanical advantages over the latter. The characteristic structure is noticeable in the cross section of the sealing element according to the invention. Thus, the sealing elements of the present invention, such as, for example, seal rings or piston rings, clearly stand out in structural characteristics from previously known sealing elements. Also, an inherent characteristic in injection molded products is the plastic flow direction or filler orientation, especially when fibrous fillers are used, and these characteristics can be accurately measured, for example, by light transmission methods. it can.
Uses injection molding when organic fillers such as PTFE or inorganic fillers such as graphite and / or fibrous materials such as carbon fibers, glass fibers, aramite fibers or metals are added to the plastic By doing so, unlike the extrusion method, the orientation of these fibers can be controlled so that the fibers always extend in the same direction and are oriented. Since the fibers in the seal ring are arranged to spread in the peripheral direction during injection molding, similar or constant physical, mechanical and tribological properties can also be obtained along the periphery of the fiber-containing seal ring.
Further, in a known manufacturing method for manufacturing a semi-finished product that requires subsequent chip formation processing, it is impossible to arrange the fibrous portions in the spreading direction of the sealing elements. In semi-finished products, all fiber parts are usually oriented in the same direction, so the subsequent tip forming process continuously changes the orientation of the seal ring fiber part with respect to its peripheral direction. As a result, the known seal ring exhibits a continuously changing mechanical characteristic with respect to the peripheral direction. An advantage of the seal ring according to the present invention is seen in that the seal ring exhibits a certain mechanical property with respect to its peripheral direction, since the fibers exhibit a uniform orientation or vortex in its peripheral direction.
A further advantage is seen in that the arrangement and density of the fibrous parts in the seal ring can be optimized, for example by selecting the number and arrangement of injection gates. It is also possible to add the fibrous material to the plastic at different densities during the injection molding process so that the density of the fibrous material in the sealing element varies locally. By this method, for example, it is possible to produce a seal ring in which the fibrous component has an exclusive spread inside the ring while the fibrous component does not reach the outer surface. Furthermore, in this method, it is also possible to realize a state in which no fiber component is present on the sealing surface of the seal ring, while fibers are embedded in the remaining surface region in order to improve the mechanical strength. Realizing such a state is particularly suitable when glass fiber is used. This is because it is possible to deliberately exclude these fibers from the vicinity of the sealing surface in the seal ring, and thus the surface of the piston rod, or the more general expression, the opposing drive such as the piston rod or cylinder path. This is because it is possible to avoid the risk that the surface of the glass is damaged by such fibers. Therefore, the glass fiber is introduced into the seal ring in order to improve the mechanical strength and the fiber density in the sealing surface area or the driving surface area is intentionally reduced, so that the polishing caused by the glass fiber in the opposite driving part. It is possible to prevent or at least reduce the effect.
A further advantage of the method according to the invention or the sealing element produced by the method is seen in that the composition of the plastic used can be changed in a simple manner. The sealing element always has a basic structure consisting of a plastic matrix, and examples of the matrix-constituting plastic can include PEEK, PFA or PPS. For example, the proportion of PEEK is 70% in the total mass of the sealing element. can do. In order to produce sealing elements with a wide variety of different compositions, the plastic matrix can be filled with various fillers. In other words, it is possible to change the proportion of plastics such as PEEK with respect to the proportion of filler, and it is possible to mix different fillers in one. As the filler, an organic filler such as PTFE or an inorganic filler such as carbon fiber, glass fiber, graphite or metal is suitable. By using the radial forming method, it is possible to select and mix the proportions of PEEK, PTFE, fiber, graphite, etc. as appropriate, and since it is possible to manufacture a small amount of sealing elements, many different mixing It makes it possible to produce sealing elements with ratios and / or different tribological, mechanical or thermal properties in an economical manner.
A further advantage of the method according to the invention is seen in that a sealing element with gap joints that overlap in the circumferential direction can be produced in a simple manner. This method can be used, for example, somewhat in a mold for manufacturing a seal ring, ie an injection mold, so as to have two cavities that are isolated from each other in the end region of the seal ring but overlap in the circumferential direction of the seal ring. A cavity extending in a spiral shape is provided. This method makes it possible to manufacture a seal ring having gap joints that overlap in the peripheral direction. For example, a seal ring formed in a somewhat spiral shape is formed into a flat seal ring by a subsequent heat treatment. Can be transformed into
A further advantage of the method according to the invention is seen in that sealing elements with different colors can be produced by using plastics dyed in different colors. In addition, it is possible to produce sealing elements that exhibit different colors in part, for example, by injecting different colored plastics alternately during seal ring injection molding, in a number of different colors in the circumferential or radial direction. It is possible to produce a seal ring exhibiting Such coloring or coloring to partially different colors is useful, for example, for identification applications or wear fatigue index applications for seal elements.
In a first embodiment according to the method of the invention, the injection mold is substantially geometrically identical to the shape of the mold, ie the sealing element to be manufactured, and is used as a cavity for receiving the flowable plastic. According to this embodiment, the injection gate is arranged in a sealing element formed in a ring shape so that a significant flow of plastic spreading in the circumferential direction, in particular the direction of flow, occurs. The inflow plastic spreads in the shape of a seal ring, resulting in a uniform structure with suitable mechanical properties with respect to the circumferential direction of the seal ring. In this embodiment according to the method of the present invention, the fluid plastic can be molded into a substantially final shape in a single step as described above.
A particularly preferred second embodiment according to the method of the present invention is characterized in that the spatial position of each injection gate is selected so that the sealing element does not include the injection point. In general, this feature of the present invention is particularly advantageous because the injection point may be a breakpoint that adversely affects the mechanical, physical and tribological properties of the seal element structure.
Depending on the geometry of the sealing element to be manufactured, accurately injecting plastic from one injection gate into the injection mold is advantageous because it further simplifies the injection molding process. That is. In the present invention, the spatial position of the injection gate is appropriately selected so that the distance that the plastic moves in the injection mold is minimized. This is because it has been found in practice that the mechanical properties (eg strength) of the sealing element are particularly favorably influenced by shortening the plastic flow or flow stroke.
It is preferred in the second embodiment that the injection gate is arranged to produce a pronounced plastic flow direction that extends radially, especially for the production of sealing elements embodied as ring shapes. With regard to the production of the ring-shaped sealing element, it is particularly preferred that the plastic is injected into an injection mold from an injection gate located near the geometric center of the ring-shaped sealing element. With such an arrangement, on the one hand, the distance traveled by the flowable plastic is kept as short as possible, and on the other hand, the distance from the injection gate is equal at all points on the circumference. As a result, the present invention has the advantage that the physical, mechanical and tribological properties in the circumferential direction of the sealing element are uniform in a very good state.
In the second embodiment according to the method of the present invention, it is preferable to manufacture a substantially ring-shaped sealing element by the following steps. That is, first, an umbrella-shaped molded article is manufactured by an injection molding method in which a flowable plastic is injected into a substantially disc-shaped injection mold cavity through an injection channel and cured. The umbrella shaped article is then removed from the mold and the central area around the handle of the umbrella shaped article is removed, resulting in a substantially ring shaped sealing element.
According to this method, it is possible to produce a ring-shaped sealing element in a very simple and economical manner, the physical, mechanical and tribological properties of the sealing element being used in dry drive piston compressors. Is highly preferred.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings and some representative examples of seal elements. What is illustrated in the drawings is not to scale and is shown with some omissions.
FIG. 1 shows a sealing element embodied as a seal ring.
FIG. 2 is a diagram illustrating a further specific example of the seal ring.
2a is a cross-sectional view of the seal ring according to FIG. 2 as seen from the line BB.
2b is a cross-sectional view of the seal ring according to FIG. 2 as seen from the line C-C.
FIG. 2c is a side view of the seal ring according to FIG. 2 as viewed from the E direction, and shows a gap joint.
2d is a partially enlarged view of the seal ring according to FIG.
FIG. 3 is a view showing a seal ring incorporated in a dry drive piston compressor.
FIG. 4 is a view showing an apparatus for carrying out the injection molding method.
FIG. 5 shows a further apparatus for carrying out the injection molding process.
FIG. 6a shows a further sealing ring element.
FIG. 6b shows a further sealing ring constructed using a plurality of sealing elements according to FIG. 6a.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an injection mold in the second embodiment according to the method of the present invention.
FIG. 8 is a plan view showing a molded product manufactured using the injection mold according to FIG. 7.
FIG. 9 is a longitudinal sectional view of the molded product according to FIG.
FIG. 1 shows a sealing device for a piston rod in a dry drive piston compressor. This device comprises a seal ring 1 and a cover ring 2 surrounding the seal ring. The seal ring 1 is divided at the two end portions 1c and 1d, and as a result, has a gap 1a between the two end portions 1c and 1d. The seal ring 1 can be manufactured by the first embodiment according to the method of the present invention. In addition, an injection point or gate mark 1u derived from the injection gate or injection position is seen on the ring. In this example of the seal ring 1, the seal ring 1 is manufactured by an injection molding method in which an injection gate is arranged so that the injection point 1 u is arranged at a contrasting position with respect to the seal ring 1. During the injection process, the plastic flowing from the injection gate into the mold, that is, the cavity of the injection mold, flows and diffuses in the direction indicated by f1 and f2 in the cavity until the cavity is filled, thereby forming the seal ring 1. . The seal ring 1 has two sealing surfaces 1h, 1m. One sealing surface 1 h is in contact with the movable piston rod 4, and the other sealing surface 1 m is in contact with the fixed portion, that is, the seal chamber ring 5. Both sealing surfaces 1h, 1m must meet strict geometric requirements such as, for example, radius of curvature, flatness or surface structure. By the way, it is a well-known fact that plastic parts manufactured by an injection molding method contract. These two conflicting conditions can be satisfied by controlling the shrinkage as follows in the injection molding method of the present invention. That is, the shrinkage on the remaining surfaces of the seal ring 1 is an intentional tolerance in order to keep the geometric dimensions of the two sealing surfaces 1h, 1m constant during the manufacture and cooling of the seal ring. is there. By this method, a seal ring having a sealing surface with very strict geometric dimensions can be produced by injection molding. Thus, the method does not require a subsequent step of mechanically processing the seal ring. However, it is also advantageous to further process the molding surface by a subsequent polishing step in order to obtain a more elaborate molding surface.
It is also possible to produce a sealing element designed as a piston ring by the above method. In the case of the seal ring 1, it is necessary to make the inner surface dimension constant, but in the piston ring, the outer peripheral surface dimension is required to be constant. Thus, the piston ring can be manufactured by a simple method by the injection molding method according to the present invention.
Also shown in FIG. 1 is a cover ring 2 having an end region 2b. The cover ring 2 has an injection point 2u. During the manufacturing process, the plastic flows in the direction indicated by f1 and f2 from the injection point and fills the mold cavity. In this cover ring 2 as well, it is possible to produce two surfaces that are geometrically very strict.
FIG. 2 is a plan view showing another typical example of the seal ring 1, in which the injection point 1u and the plastic flow directions f1 and f2 are shown. The seal ring 1 has two sealing surfaces 1h and 1m having constant dimensions. The seal ring 1 is divided at the two end regions 1b and 1c to form a gap 1a serving as a gap junction overlapping in the peripheral direction, and a gap junction overlapping in the peripheral portion is formed. An end 1d is provided on one end region 1c. The seal ring 1 has a plurality of webs 1p arranged on the periphery thereof, and a cross section of the web 1p along the line segment CC is shown in FIG. 2b. The web 1p has a sealing surface 1h that covers the entire height of the seal ring 1. A cross section at another position along the line segment BB is shown in FIG. In this case, the sealing surface 1h having a constant dimension occupies only a partial area of the height H, and in the area 1k, the surface 11 spreads out conically with an angle β. The seal ring 1 having a large number of very narrow webs 1p in the peripheral direction can also be manufactured by the injection molding method according to the present invention. FIG. 2b shows how the density of the embedded fiber material is different in the cross section of the seal ring 1. The fibers extend in the peripheral direction of the seal ring 1, that is, in the direction perpendicular to the illustrated plane. In the illustrated embodiment, the fibers are filled so that a region having a high fiber density is formed as the first region 1z and a region having a very low fiber density is formed as the second region 1y. Therefore, on the surfaces 1h and 1m, which are important parts performing the sealing function, the fiber density is very low or no fiber is present at all. By reducing the fiber density of the driving surface or the sealing surface, for example, the glass fiber density, the polishing action on the opposing member can be greatly reduced as compared with the case where the glass fiber density of the surface is high.
FIG. 2c is a side view of the seal ring 1 according to FIG. 2 as seen from the direction of the line of sight E, and shows end regions 1c and 1d and an end 1d that overlaps the end region 1c. This type of overlap gap joint can be easily manufactured by the following method according to the present invention. That is, the mold cavity is designed to expand somewhat spirally so that the end 1d and the end region 1c are formed in two cavities that are isolated from each other. After the injection molding is completed, the seal ring 1 is processed by pressing or heat treatment so that the seal ring 1 spreading in a spiral shape becomes the seal ring 1 spreading in a plane.
FIG. 2 d is a partially enlarged view of the seal ring according to FIG. 2 and shows the orientation of the fibers 1 v filled in the seal ring 1. These fibers 1v are aligned with respect to the spreading direction of the seal ring 1. Accordingly, the seal ring 1 has uniform physical, mechanical and tribological characteristics with respect to the peripheral direction. In the seal ring 1 manufactured by the injection molding method, in particular, the sealing surface 1h has a uniform structure.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a packing 6 of a dry drive piston compressor provided with a piston rod 4, in which a seal device 12 is installed in a seal chamber 14, and the device 12 includes a seal ring 1 and a cover ring 2. And a hose spring 3. One sealing surface 1 h having a constant dimension in the seal ring 1 is in contact with the piston rod 4, and the other sealing surface 1 m having a constant dimension is in contact with the seal chamber ring 5 and the cylinder chamber 15. The pressure is sealed. At this time, the pressure p1 is larger than the pressure p2.
FIG. 4 shows an injection molding apparatus 20 for performing the injection molding method. The injection molding machine 25 is supplied with a granular normal temperature molding material via a funnel 26. The molding material is melted and plasticized by the rotating screw 27 and a cylinder heated from the outside, and is extruded to the tip of the screw. The molding material extruded in the axial direction by the screw 27 is injected into a mold 21 that is temperature-controlled by the heating element 23, that is, an injection mold through a nozzle and an injection runner, that is, an injection passage. In this embodiment, the plasticized plastic flows into the cavity 22 until the cavity 22 of the mold 21 is filled, so that the sealing element 1 is formed. What is fed to the funnel 26 may be a granulate 28 made of a single plastic material, or an additional component as well as a fiber such as carbon fiber, glass fiber or aramite fiber. May be a mixture of different plastic materials, such as PEEK containing PTFE.
FIG. 5 a shows a further injection molding device 20 consisting of two independent injection molding machines 25, which supply the plastic 24 to the cavity 22 of the mold 21 via a mixing device 29. To do. In the illustrated embodiment, the contents 28b of the funnel 26b are supplied into the mold 21 by flowing in the q1 direction. When supplying the contents 28a of the funnel 26a into the mold 21, the mixing device 29 can be switched appropriately. According to this method, it is possible to produce sealing elements 1 made of different plastics. However, it is also possible to use homogeneous plastics of different colours, for example to color-code the sealing elements formed as seal rings in the circumferential direction.
FIG. 5b shows the same apparatus as the injection molding apparatus 20 already illustrated in FIG. 5a, but unlike the case according to FIG. 5a, the two injection molding machines 25 simultaneously flow plastic in the directions q1, q2. It is something to be made. The two funnels 26a and 26b contain different plastics. By this dual component injection method, it is possible to produce a sealing element 1 having a dense outer skin 24b made of one plastic 28a and a core 24a made of the other plastic 28b.
FIG. 6a shows a sealing element 1 having an injection point 1u and constant dimension surfaces 1h, 1y, 1z, and FIG. 6b shows a covering consisting of three sealing elements 1 in contact with each other in the circumferential direction. ing. All the sealing elements 1 are manufactured by an injection molding method and have an injection point 1u. The sealing element 1 is manufactured so that the dimension of the sealing surface 1h on the piston rod side is constant. Further, the surfaces 1y and 1z that are in contact with each other are accurately formed so as to have an appropriate size.
A particularly preferred second embodiment according to the method of the invention is particularly characterized in that the spatial position of each injection gate in the injection molding process is selected such that the sealing element does not contain an injection point. Except for this point, which is different from the first aspect according to the method of the present invention, the above description of the first aspect is substantially applicable to the second aspect with respect to the sealing element manufactured according to the present invention.
The injection point is also a problem in the sealing element structure that can adversely affect the mechanical, physical and tribological properties. It is a characteristic advantage of the second aspect according to the method of the present invention that such a potential failure can be eliminated.
Hereinafter, the second embodiment according to the method of the present invention will be specifically described with reference to FIGS. 7 to 9 in more detail regarding the manufacture of a closed ring-shaped sealing element (endless ring).
FIG. 7 shows a cross section of an injection mold 30 having a substantially disk-shaped cavity 32, and fluid plastic is injected into the center of the cavity via an injection passage 31. FIG. 8 is a plan view showing the molded product 40, which can be manufactured by an injection molding method using the injection mold 30. FIG. 9 shows a longitudinal section of the molded product 40 according to FIG.
The injection mold 30 is filled with a flowable plastic by an injection molding apparatus 20 or injection molding machine 25 similar to that illustrated in FIGS. 4, 5a and 5b and already described in the discussion of the principle. In this regard, the injection passage 31 (FIG. 7) is connected to the injection molding machine 25 (FIGS. 4, 5a, 5b) or the mixing device 29, respectively, so that the flowable plastic is routed through the injection passage 31 (FIG. 7). Thus, it can be injected into the cavity 32 of the injection mold 30. The injection gate 33 is present at a position where the injection passage 33 communicates with the cavity 32 of the injection mold 30.
Further, the injection mold 30 has a substantially ring-shaped rib 34, which is concentric with the injection passage 31 and protrudes into a substantially disk-shaped cavity 32. In addition, one or a plurality of discharge ports 35 are provided, and air bubbles can be discharged through the discharge ports while, for example, the injection mold 30 is filled.
While the injection mold is being filled, the flowable plastic flows through the injection passage 31 and simultaneously flows radially from the injection gate 33 into the disc-shaped cavity 32 until the cavity is completely filled. . After the plastic is solidified, the molded product 40 is removed from the mold, and an umbrella-like molded product illustrated in FIGS. 8 and 9 is obtained. That is, the molded product has a handle portion 41 formed by the injection passage 31 and a disk portion 42 formed by the cavity 32. The rib 34 forms a ring-shaped groove 44 concentric with the handle 41 in the disk portion 42 of the molded product 40. In order to form a ring-shaped sealing element whose geometric center M substantially coincides with the injection gate 33, the central region 43 of the molded product 40 is removed. The central region 43 includes a portion surrounded by the ring-shaped groove 44 in the handle portion 41 and the disc portion 42 of the molded product 40. The central region 43 can be removed, for example, by grinding, protruding, cutting or sawing. The purpose of providing the ring-shaped groove 44 is to facilitate the removal of the central region 43. If desired, after removing the central region 43, the inner interface of the ring-shaped sealing element can be further finished, for example by grinding or honing.
In the embodiment of the second aspect according to the method of the present invention described here, the plastic is injected into the injection mold 30 from the injection gate 33, and the distance that the plastic moves in the injection mold is minimum. As such, the spatial position of the gate is selected. The short plastic flow distance is advantageous for the mechanical properties of the sealing element, for example, the strength of the sealing element, in particular the bending stiffness, is improved, so it is advantageous to select the gate position as described above. More specifically, the plastic is injected into the injection mold 30 at an injection gate 33 located near the geometric center M of the ring-shaped sealing element. According to this method, all points on the same circumference are at substantially the same distance from the injection gate 33. This is especially true for the inner and outer interfaces of the ring-shaped sealing element. This method also causes the spreading of the flowable plastic to occur in a substantially radial symmetry within the injection mold 30 so that when considered with respect to the circumferential direction, the sealing elements are very uniform physical, mechanical and tribological. This produces the advantage of exhibiting characteristics.
Further, in the second embodiment, the central region 43 can be remelted by a simple method and used for the next injection molding, so that almost no waste is generated at the time of manufacturing the sealing element. This is a very important advantage from an economic point of view, especially when using expensive plastic materials such as PEEK.
Of course, the second aspect of the method of the present invention is not limited to the endless ring manufacturing described in detail herein. Thus, for example, by changing the design of the cavities 32 and / or ribs 34 of the injection mold 30, it is possible to achieve a great variety of geometric shapes with respect to the sealing element. All the sealing elements exemplified in 1, 2a to d, 6a, 6b can be produced in the same way according to the second aspect of the method of the present invention, in which case they do not include an injection point. is there.
The seal ring 1 according to FIG. 1 can be manufactured, for example, by interrupting one part of the endless ring, that is, manufactured by cutting a part of the endless ring so that the gap 1a is generated. it can. Alternatively, the cavity 32 of the injection mold 30 can be designed such that the disk portion 42 of the molded product 40 has a corresponding cutout portion.
The overlap gap junction (see FIG. 2c) can also be formed, for example, by a method similar to that already described with respect to FIG. 2c. Further, the conical surface 11 (see FIG. 2 a) can also be formed by suitably designing the wall of the injection mold 30. Similarly, the non-square cross section (see FIG. 2b) of the sealing element can be formed by appropriately designing the shape of the cavity 32 of the injection mold 30, for example.
A separable sealing element (see FIGS. 6a and 6b) can also be produced, for example, by cutting an endless ring. It is also possible (for example as illustrated in FIG. 6a) to produce each separation piece individually, ie by individual injection processing. In this aspect, the position of the injection gate is appropriately selected so as to be located near the center of curvature of the separation piece.
According to the second aspect of the method of the present invention, the direction of plastic flow in the injection mold exhibits a remarkable radial directionality. When using plastics mixed with fibrous materials such as carbon fiber, glass fiber, aramite fiber or metal, these fibrous materials will be flown during injection molding when the plastic flows radially. It has been found that the fibrous material has a substantially circumferential orientation in the ring-shaped sealing element because it is aligned so as to be substantially orthogonal to the direction. This has a particularly positive effect that the physical, mechanical and tribological properties are uniform in the circumferential direction of the sealing element. Of course, it is also possible in the second embodiment to mix the fibrous material at a different density from the plastic so that the density of the fibrous material varies locally within the sealing element. It is therefore possible to produce a sealing element having the following characteristics in a manner similar to that already described. That is, the sealing element surface, which is important for the sealing function, contains little or no fiber, while in other parts of the sealing element, a very high fiber density is achieved. For example, in the case of a ring-shaped sealing element having a sealing surface on the outside, first of all, during injection molding, a part of the injection mold is filled with a plastic containing little or no fiber, and then a high fiber density plastic is used. By injection into an injection mold, a sealing element having the preferred characteristics can be manufactured.
In addition to the embodiments specifically described for the sealing element and / or the seal ring, any known embodiment relating to the sealing element and / or the sealing ring can of course be produced by the method according to the invention.

Claims

Producing a ring-shaped sealing element to be used for piston compressors at one type of plastic by injecting flowable plastic fibrous material than one of the injection gates are mixed into an injection mold in in the method,
The injection gate removes a region including a portion corresponding to the injection gate from the sealing element, so that the sealing element does not include the injection point, and further, the direction of the plastic flow spreading only in the radial direction in the injection mold. Is arranged to occur .

The method according to claim 1, characterized in that the spatial position of the injection gate was set to the moving distance of the plastic in the injection-molding mold in is minimized.

For the production of sealing elements forming the-rings shape, from injection gate disposed at a position corresponding to the geometric center of the ring-shaped sealing element, any one of claims 1 to 4 plastic is injected into the injection mold in The method according to one item.

For the production of sealing elements forming the-rings shape,
(A) by fibrous material is mixed flowable plastic is injected into the central portion of the cavity of circular plate shape that put into an injection mold through an injection passage injection molding to solidify spread radially, umbrella The molded product is formed
(B) the umbrella-shaped molded product is removed from the mold;
(C) bevel-shaped central region of the molded article is removed method according to any one of claims 1 to 3 sealing element-ring shape is obtained.

Plastic at least PEEK (polyetheretherketone) or PFA (perfluoroalkoxy copolymer) or PPS (polyphenylene sulfide) The method according to any one of claims 1 to 4 consisting of.

Carbon-containing fibers, Aramaito (aramid) fibers, the method according to any one of claims 1 to 7 fibrous material such as glass fibers or metal are mixed into the plastic.

The method according to any one of claims 1 to 6 the sealing element is produced by at least one dyed plastic.

Sealing elements for Lupi piston ring put on piston compressors produced by the method according to any one of claims 1 to 7.